Ha közelebb viszi a kezét egy bekapcsolt elektromos lámpához, vagy a tenyerét egy forró tűzhely fölé helyezi, érezheti a meleg légáramlatok mozgását. Ugyanez a hatás figyelhető meg, amikor egy papírlapot nyílt láng felett oszcillálnak. Mindkét hatást a konvekció magyarázza.
Mi az?
A konvekció jelensége egy hidegebb anyag forró tömegekkel érintkező tágulásán alapul. Ilyen körülmények között a felmelegített anyag veszít sűrűségéből és könnyebbé válik az őt körülvevő hideg térhez képest. A jelenségnek ez a jellemzője a legpontosabban a hőáramlás mozgásának felel meg a víz melegítése közben.
A molekulák ellentétes irányú mozgása melegítés hatására pontosan az, ami a konvekción alapul. A sugárzás és a hővezető képesség hasonló folyamatok, de elsősorban a hőenergia szilárd anyagokban történő átvitelére vonatkoznak.
Élénk példák a konvekcióra – a meleg levegő mozgása egy fűtött szoba közepénkészülékek, amikor felmelegített patakok mozognak a mennyezet alatt, és a hideg levegő leszáll a padló felszínére. Ez az oka annak, hogy amikor a fűtés be van kapcsolva, a levegő a szoba tetején érezhetően melegebb, mint a szoba alsó részén.
Arkhimédész törvénye és a fizikai testek hőtágulása
A természetes konvekció fogalmának megértéséhez elegendő az Arkhimédész-törvény példáján átgondolni a folyamatot és a testek hősugárzás hatására bekövetkező tágulásának jelenségét. Tehát a törvény szerint a hőmérséklet emelkedése szükségszerűen a folyadék térfogatának növekedéséhez vezet. A tartályokban alulról melegített folyadék magasabbra emelkedik, a nagyobb sűrűségű nedvesség pedig lejjebb mozog. Felülről történő fűtés esetén több és kevésbé sűrű folyadék marad a helyén, ilyenkor a jelenség nem következik be.
A koncepció megjelenése
A "konvekció" kifejezést először William Prout angol tudós javasolta 1834-ben. Felmelegített, mozgó folyadékokban lévő termikus tömegek mozgásának leírására használták.
A konvekció jelenségének első elméleti vizsgálatai csak 1916-ban kezdődtek. A kísérletek során azt találták, hogy az alulról melegített folyadékokban a diffúzióból a konvekcióba való átmenet bizonyos kritikus hőmérsékleti értékek elérésekor következik be. Később ezt az értéket „tekercsszámként” határozták meg. Így nevezték el a kutatóról, aki tanulmányozta. A kísérletek eredményei lehetővé tették a hőáramlások Arkhimédész erői hatására bekövetkező mozgásának magyarázatát.
A konvekció típusai
Az általunk leírt jelenségnek többféle típusa van – természetes és kényszerített konvekció. Egy példa a hideg és meleg levegő mozgására a helyiség közepén a legjobb módszer a természetes konvekció folyamatának jellemzésére. Ami a kényszert illeti, akkor figyelhető meg, ha a folyadékot kanállal, pumpával vagy keverővel keverjük össze.
A konvekció lehetetlen, ha szilárd anyagokat melegítenek. Ez annak köszönhető, hogy a szilárd részecskéik vibrációja során meglehetősen erős kölcsönös vonzalom uralkodik. A szilárd szerkezetű testek melegedése következtében konvekció és sugárzás nem következik be. A hővezető képesség helyettesíti ezeket a jelenségeket az ilyen testekben, és hozzájárul a hőenergia átviteléhez.
Az úgynevezett kapilláris konvekció egy külön típus. A folyamat akkor következik be, amikor a hőmérséklet megváltozik a folyadék csöveken keresztüli mozgása során. Természetes körülmények között az ilyen konvekció jelentősége a természetes és kényszerített konvekció mellett rendkívül elenyésző. Az űrtechnológiában azonban nagyon jelentős tényezővé válik az anyagok kapilláris konvekciója, sugárzása és hővezető képessége. Súlytalan körülmények között még a leggyengébb konvektív mozgások is megnehezítenek néhány technikai feladat végrehajtását.
Konvekció a földkéreg rétegeiben
A konvekciós folyamatok elválaszthatatlanul összefüggenek a földkéreg vastagságában a gáznemű anyagok természetes képződésével. A földgömb több koncentrikus rétegből álló gömbnek tekinthető. A közepén egy hatalmas forró mag található, amely egy vasat tartalmazó, nagy sűrűségű folyékony massza,nikkel, valamint más fémek.
A Föld magját körülvevő rétegek a litoszféra és a félig folyékony köpeny. A földgömb legfelső rétege közvetlenül a földkéreg. A litoszféra különálló lemezekből jön létre, amelyek szabadon mozognak, és a folyadékköpeny felületén mozognak. A különböző összetételű és sűrűségű köpenyrészek és kőzetek egyenetlen melegítése során konvektív áramlások keletkeznek. Az ilyen áramlások hatására megy végbe az óceánfenék természetes átalakulása és a hordozó kontinensek mozgása.
Különbségek a konvekció és a hővezetés között
A hővezető képesség alatt a fizikai testek azon képességét kell érteni, hogy atomi és molekuláris vegyületek mozgása révén hőt adnak át. A fémek kiváló hővezetők, mivel molekuláik szorosan érintkeznek egymással. Éppen ellenkezőleg, a gáznemű és illékony anyagok rossz hővezetőként működnek.
Hogyan történik a konvekció? A folyamat fizikája az anyagmolekulák tömegének szabad mozgásából adódó hőátadáson alapul. A hővezető képesség viszont kizárólag a fizikai test alkotórészecskéi közötti energiaátvitelből áll. Azonban mindkét folyamat lehetetlen anyagrészecskék jelenléte nélkül.
Példák a jelenségre
A konvekció legegyszerűbb és legérthetőbb példája egy közönséges hűtőszekrény folyamata. KeringésA hűtőkamra csövein keresztül lehűtött freongáz a felső levegőrétegek hőmérsékletének csökkenéséhez vezet. Ennek megfelelően a melegebb patakokra felváltva a hidegek lesüllyednek, így lehűtik a termékeket.
A hűtőszekrény hátsó panelén található rács olyan elem szerepét tölti be, amely megkönnyíti a berendezés kompresszorában keletkező meleg levegő eltávolítását a gázsűrítés során. A rácsos hűtés is konvektív mechanizmusokon alapul. Emiatt nem ajánlott a hűtőszekrény mögötti helyet túlzsúfolni. Végül is csak ebben az esetben tud nehézség nélkül lehűlni.
A konvekcióra további példákat láthatunk, ha megfigyelünk egy olyan természeti jelenséget, mint a szél mozgása. A száraz kontinensek felett felmelegedve és a zordabb terepen lehűlve a légáramlatok elkezdik kiszorítani egymást, ami mozgásba hozza őket, valamint megmozgatja a nedvességet és az energiát.
A szárnyaló madarak és vitorlázók lehetősége a konvekcióhoz kötődik. A kevésbé sűrű és melegebb légtömegek, a földfelszín közelében egyenetlen fűtéssel felszálló áramlatok kialakulásához vezetnek, ami hozzájárul a szárnyalás folyamatához. Ahhoz, hogy a maximális távolságokat erő és energia ráfordítása nélkül leküzdjék, a madaraknak meg kell tudniuk találni az ilyen patakokat.
A konvekcióra jó példa a füstképződés a kéményekben és a vulkáni kráterekben. A füst felfelé mozgása a környezetéhez képest magasabb hőmérsékletén és kisebb sűrűségén alapul. A füst lehűlésével fokozatosan leülepszik a légkör alsóbb rétegeibe. Pontosan emiattaz ipari csövek, amelyeken keresztül káros anyagok kerülnek a légkörbe, a lehető legmagasabbra készülnek.
A konvekció leggyakoribb példái a természetben és a technológiában
A természetben, a mindennapokban és a technikában megfigyelhető legegyszerűbb, könnyen érthető példák közül kiemeljük:
- levegőáramlás a háztartási fűtőelemek működése közben;
- felhők kialakulása és mozgása;
- a szél, a monszun és a szellő mozgásának folyamata;
- a tektonikus földlemezek eltolódása;
- folyamatok, amelyek szabad gázképződéshez vezetnek.
Főzés
A konvekció jelensége egyre inkább megvalósul a modern háztartási készülékekben, különösen a sütőkben. A légkeveréses gázszekrény lehetővé teszi, hogy egyidejűleg különböző ételeket főzzön külön szinteken, különböző hőmérsékleten. Ez teljesen kiküszöböli az ízek és illatok keveredését.
A hagyományos sütő egyetlen égőre támaszkodik a levegő felmelegítésére, ami egyenetlen hőeloszlást eredményez. A forró levegőáramok speciális ventilátor segítségével történő célzott mozgása miatt a légkeveréses sütőben lévő ételek lédúsabbak és jobban sülnek. Az ilyen eszközök gyorsabban felmelegszenek, ami csökkenti a főzéshez szükséges időt.
Természetesen azoknak a háziasszonyoknak, akik évente csak néhányszor főznek sütőben, egy háztartási gépa konvekció funkciója nem nevezhető első fokú technikának. Azonban azok számára, akik nem tudnak élni kulináris kísérletek nélkül, egy ilyen eszköz egyszerűen nélkülözhetetlen lesz a konyhában.
Reméljük, hogy a bemutatott anyag hasznos volt az Ön számára. Sok sikert!
